农药喷施对茶园土壤理化性质的影响

兰 燕,高 峰,王开腾,李 捷,陈 伟,吴永晨,杨桂娣*,杨 方*

(1.福建农林大学 生命科学学院/福建省农业生态过程与安全监控重点实验室,福建 福州 350002;2.福建海关技术中心,福建 福州 350001;3.福建省检验检疫技术研究重点实验室,福建 福州 350001)

茶叶作为全球三大天然饮料原材料之一,不仅具有提神醒脑、解渴消食、利尿解毒等药理功能[1-],还具有抗癌、抗衰老、降血脂、降血糖和防辐射等多种独特保健功效[4]。我国是世界上最大的产茶国和茶叶出口大国[7],茶树种植面积和茶叶产量多年来稳居世界首位[5]。化学农药作为现代农业生产中必不可少的生产资料,施用之是控制植物病虫害、提高农作物产量、增加农民收入的有效途径之一[10-13]]。为了防治茶树病虫害,茶农经常会施用化学农药,以保证茶叶产量、减轻茶农损失。近年来,随着人们生活水平的提高,茶叶农药残留问题已成为影响茶叶质量安全的焦点之一,严重影响了我国茶叶产业的可持续发展。

土壤作为茶园生态系统的重要组成部分,不仅为茶树提供了赖以生存的栖息之地,同时也为茶树的生长发育提供了相关的营养物质。土壤含水量、pH值以及土壤养分含量等理化性质是衡量土壤质量的重要指标[8],它们对茶树的生长发育起着至关重要的作用。据报道,施入茶园的农药有80%～90%最终会进入茶园土壤,从而间接影响茶叶品质[9]。目前,关于农药残留对茶园土壤微生物群落的影响已有较多报道,而关于农药残留对茶园土壤理化性质影响的报道则较少。笔者以福州市北郊茶区土壤为研究对象,通过分析农药喷施前后土壤理化性质的变化规律,探究了农药残留对土壤质量的影响,从而为指导茶农科学种茶提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况和样地设置

该试验茶园地处福建省福州市北郊(东经118°8′～120°31′,北纬25°15′～26°39′),年平均气温为20～25 ℃,年平均降水量为900～2100 mm,属于亚热带季风气候,海拔约为1000 m,土壤为红壤土(偏酸性),较为适于茶树的生长。

试验样地位于试验茶园中部,长约60 m,宽约6 m。将试验样地分别设置为6个大小均一的小样地,进行同样的实验处理。自2018年7月起进行田间实验,在此之前样地的利用率相同,没有差异。

1.2 供试农药

共试验了22种农药，具体情况见表1。

表1 供试的22种农药的情况

1.3 农药的喷施与样品的采集

根据每种农药的使用说明配比,将22种农药按比例进行称量配制。配药采用二步法,先配母液,再进一步用水稀释,用电动背负式喷雾器对除对照区域外的试验样地茶树进行均匀喷施。利用土壤采集器采集距茶树主根半径20 cm范围内且深度5～35 cm的土壤。将采集的土壤样品置于室内常温下自然风干,并去除残枝腐叶、石块等杂质,过60目筛,混合后采用四分法,选取1 kg土样作为试验样品。未喷施农药前采集的土壤样品为空白组土样,命名为CK;喷施农药后2 h,2、3、4、5、20、40、60、80、120 d采集的土壤样本为实验组土样,分别命名为D1、D2、D3、D4、D5、D20、D40、D60、D80和D120。

1.4 土壤基本理化指标的测定

土壤含水量的测定采用烘干法;土壤pH值的测定采用酸度计法(水土比2.5∶1);土壤全氮(TN)含量的测定采用凯氏定氮法;土壤全磷(TP)含量的测定采用氢氧化钠-钼锑抗比色法;全钾(TK)含量的测定采用氢氧化钠熔融-火焰光度法;土壤速效氮(AN)含量的测定采用碱解扩散法;土壤速效磷(AP)含量的测定采用氢氧化钠浸提-火焰光度法;速效钾采用1 mol/L中性NH4OAc浸提,按火焰光度计法测定其含量[14];土壤有机质(SOM)含量的测定采用重铬酸钾容量法-硫酸消化法[15]。

对检测数据采用SPSS 19.0进行主成分和相关性分析；不同处理间平均值的比较采用最小显著差值法(LSD)。

2 结果与分析

2.1 喷施农药前后土壤含水量、pH值、有机质含量的分析

土壤含水量主要来源于外界降水,大部分以地面蒸发的形式丢失。在喷施农药以后,除去外部因素,农药对土壤含水量的影响很小。未喷施农药前的空白土壤含水量为5.6%,喷施农药后D2组土壤含水量过高，主要是由于在喷施农药以后采集完第1天的土壤,有小雨降落,导致其含水量变高,其含水量为7.6%,随后又降至3.6%,第3天(包含第3天)以后的土壤含水量均维持在3.7%左右。

土壤酸碱度对土壤肥力及植物生长的影响很大,我国北方土壤pH值大,而南方红壤pH值较小,因此可以根据土壤酸碱度种植相适应的作物,如在红壤地区可种植喜酸的茶树，在碱性土壤上可种植抗碱能力强的苜蓿。此外,土壤酸碱度对养分的有效性影响也很大,如酸性土壤中铁、锰、锌、铜的有效性大,在中性土壤中磷的有效性大,而在碱性土壤中锰、铜、锌的有效性差。茶树生长最适的pH值为4.5～6.0[16]。在本试验喷施农药前,茶园土壤的pH值为4.57,喷施农药以后的土壤pH值均小于4.5,最小值达到3.5,土壤酸化较严重,可影响茶叶的品质。因此在茶叶生产中应注意土壤pH值的动态变化,积极采取措施。

土壤有机质是茶园土壤养分的主要来源,能够促进微生物的活动,维系土壤良好的理化性质,是表征土壤肥力的重要指标[18]。根据《茶叶产地环境技术条件》[19]中规定的土壤Ⅰ级肥力指标,本试验在喷施农药前、后土壤有机质含量均符合Ⅰ级肥力指标标准(有机质含量>15 g/kg),尤其是喷施农药后土壤有机质含量显著增加(图1),这可能与土壤微生物作用有关,有报道表明土壤微生物类群能够将农药作为一种自身需要的碳源并加以利用[20],导致土壤有机质含量增多。

2.2 喷施农药前后茶园土壤全效养分的分析

氮素是植物生长的必需元素,也是植物细胞的重要组成成分,土壤全氮含量是衡量土壤氮素供应状况的重要指标,直接影响植物的生长发育,决定土壤有机质的积累与分解强度[21]。土壤氮素主要来源于土壤有机质,所以土壤中有机质含量丰富的地段一般氮素含量也高[22]。在本研究中，未喷施农药前空白组土壤全氮含量均符合土壤Ⅰ级肥力指标；喷施农药后实验组土壤全氮含量也有不同程度的增加(图2)。

图1 喷施农药对茶园土壤pH值和有机质含量的影响

土壤全磷量是磷的总贮藏量,包括有机磷和无机磷两大类。土壤中的磷素大部分以迟效性的状态存在,因此全磷含量高时并不意味着磷素供应充足；而当全磷含量低时,却可能意味着磷素供应不足[23]。本试验分析结果表明,土壤磷的含量变化没有明显的规律,主要是因为土壤磷含量变异系数较大,极易受外界环境的影响(图2)。

图2 喷施农药对茶园土壤全效养分含量的影响

全钾是水溶性钾、交换性钾、非交换性钾和结构态钾的总和。全钾中90%～98%在相当长时间内是无效的,虽然全钾含量不能用于指导施肥,但也是土壤质量的重要指标之一[24]。在本试验喷施农药前采集的土壤全钾含量为2.3 g/kg；在喷施农药后略有升高,但仍不符合土壤Ⅰ级肥力指标,所以该区域土壤全钾严重缺乏,应注意钾肥的施用,避免全钾过度缺乏而影响茶树生长,间接影响茶叶品质。可见,在土壤全效养分方面,除全氮含量较为充足外,其他全效养分均较为匮乏,应注意钾肥和磷肥的施用。

2.3 喷施农药前后土壤速效养分的分析

土壤速效氮是作物氮营养元素的主要来源[25],包括矿物质态氮和有机态氮中比较容易分解的部分,其含量测定结果与作物氮素吸收有较好的相关性[26]。从图3可以看出，在喷施农药以后,土壤速效氮的含量与空白组相比逐渐升高,呈现D5>D4>D3>D2>D1>CK,且空白组土壤速效氮的含量为18 mg/kg,低于土壤Ⅲ级肥力指标(<50 mg/kg)；虽然喷施农药后土壤速效氮含量有不同程度的升高,但其仍没有达到土壤肥力Ⅰ级指标,因此要根据土壤速效氮的匮乏程度进行施肥处理。

速效磷是指土壤中较容易被植物吸收利用的磷,除土壤溶液中的磷酸根离子外,土壤中的一些易溶的无机磷化合物、吸附态磷均属于速效磷的一部分[27]。速效磷是对作物最为有效的部分,也是评价土壤供磷水平的重要指标[28]。分析结果表明,不同天数采取的土壤样品,其速效磷含量表现为D60>D40>D20>D5>D3>D4>D2>CK>D1,且空白组土壤速效磷含量和实验组土壤速效磷含量均符合土壤Ⅰ级肥力指标,因此喷施农药前后土壤速效磷较为丰富,无需施加磷肥。

速效钾是指土壤中易被作物吸收利用的钾素,包括土壤溶液钾及土壤交换性钾,是表征土壤钾素供应状况的重要指标,对指导钾肥的施用具有重要意义[29]。本研究分析结果表明,在喷施农药以后,土壤速效钾的含量大小表现为D20>D5>D4>D3>D2>D1>CK,且空白组土壤速效钾的含量为40 mg/kg；虽喷施农药以后土壤速效钾含量显著增加,但其始终不符合土壤肥力Ⅰ级指标,所以应注意钾肥的施用,增加土壤中钾元素的含量,防止速效钾含量过度匮乏,影响茶树的生长与茶叶的质量。可见,在土壤速效养分方面,除速效磷养分较为充足外,其他速效养分均较为匮乏,应注意氮肥和钾肥的施用。

2.4 喷施农药前后土壤理化性质的主成分分布分析

以33个土壤样品的11个土壤理化性质在喷施农药前后不同时间段的变化为指标,分析了不同时间段茶园土壤理化性质的主成分分布。从图4可以看出：D5、D40、D60组的土壤理化性质指标分布在第Ⅰ象限,由此可知这3组土壤理化性质的指标优于其他各组;D3、D4、D20组土壤理化性质指标分布在第Ⅳ象限,且D3与D4组相距较近,与其他各组相距较远,可见,D3、D4组的土壤理化性质指标较为相似,且与其他各组的土壤理化性质指标存在一定的差异。以不同时间段的土壤理化性质为指标,可以较好地区分喷施农药后土壤理化性质的变化。

图3 喷施农药对茶园土壤速效养分含量的影响

图4 喷施农药对茶园土壤理化性质影响的主成分分布

2.5 喷施农药前后茶园土壤理化性质的相关性分析

喷施农药前后不同时间段茶园土壤理化指标间的Pearson相关性分析结果(表2)表明:有机质含量与土壤pH值、土壤含水量和其他土壤养分含量相关性较弱;土壤pH值与全磷含量呈显著负相关,相关系数为-0.726;土壤含水量和速效氮含量与土壤其他养分含量相关性较弱;速效磷含量与速效钾含量呈极显著正相关,与全磷含量呈显著正相关,相关系数分别为0.873和0.694;速效钾含量与全磷含量呈显著正相关,相关系数为0.689;全氮含量与全磷含量呈显著负相关关系,相关系数为-0.687。

表2 喷施农药前后茶园土壤理化指标间的Pearson相关系数

注：“**”表示相关极显著(P<0.01)；“*”表示相关显著(P<0.05)。

3 结论与讨论

本研究结果表明:喷施农药前后茶园土壤养分含量在各个时间段均有差异;土壤含水量无明显变化;土壤pH值持续降低,当pH值<4.5时,不适于茶树生长；随着种植时间的延长，茶园土壤会逐步酸化,故在一定年限后,应注意采取适当的防治措施;喷施农药前后除茶园土壤有机质、全氮、速效磷含量大部分达到农业部规定的茶园土壤Ⅰ级肥力水平外,其他土壤理化性质的指标值较低,会限制茶树的生长,影响茶叶的质量,可针对贫瘠养分进行施肥处理,改善茶园土壤养分状况。